JP5375241B2 - 高強度薄鋼板およびその製造方法 - Google Patents

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本発明は、自動車や建築等の産業分野において用いられる、高速変形時の吸収エネルギーが高く、耐衝撃特性に優れる高強度薄鋼板に関するものである。ここで、上記高強度薄鋼板には、熱延鋼板、冷延鋼板およびそれらに表面処理を施した鋼板も含まれるものとし、単に、「鋼板」とも略記する。
近年、自動車の燃費向上や、自動車の衝突時の安全性向上の観点から、車体材料を高強度化して薄肉化し、車体そのものを軽量化かつ高強度化しようとする動きが活発である。自動車車体の衝突時の安全性を向上するためには、衝突時の部材の変形速度レベルである10/secでの動的流動応力が、鋼板の強度レベルの指標である静的歪速度10−3/secでの流動応力に対して大きい鋼板が必要となる。以降、動的流動応力と静的流動応力の差を「静動差」、それらの流動応力の比を「静動比」ということにする。
このような鋼板を開発するため、従来から多くの検討がなされている。例えば、非特許文献1には、フェライトと、マルテンサイトやベイナイト、残留オーステナイト等の硬質相からなる組織を有する鋼板の静動比が報告されている。また、特許文献1や特許文献2には、鋼中の固溶元素を極力低減して降伏応力の静動比を向上させる技術が提案されている。
しかし、近年の自動車車体へのさらなる軽量化と耐衝撃特性向上に対する要求に応えるため、特に部材の大変形が想定される衝突時の安全性を十分に確保するためには、降伏応力よりもむしろ引張強さの静動比もしくは静動差を向上させることが重要であると考えられる。しかし、従来の鋼板の静動差は、非特許文献2に記載されているように、引張強さ440MPa以上では150MPa程度でしかなかった。
特開平06−322476号公報 特開平07−018371号公報
高木周作,他:鉄と鋼、日本鉄鋼協会、83(1997),454 Shusaku Takagi et.al;CAMP−ISIJ、18(2005),1555
しかしながら、高強度化するのに伴い、加工性が低下するのはよく知られたことである。そこで、鋼板の成形性を確保するために静的強度を極力低下させた上で、高速変形時の流動応力を大きく高めた鋼板、具体的には、引張強さTSの静動差が180MPa以上である鋼板が要求されている。
本発明は、上記要求に応えるべく開発したものであって、その目的は、引張強さTS:440MPa以上の高強度鋼板において、引張強さの静動差の大きい鋼板、具体的には引張強さの静動差が180MPa以上である耐衝撃特性に優れる高強度薄鋼板を提供することにある。
発明者らは、上記課題を解決するため、種々の高強度化手法について検討を重ねた。その結果、鋼板組織をフェライト中に、Fe−Ti系金属間化合物を分散させたミクロ組織とすることにより、加工性を大きく損なうことなく、引張強さの静動差を顕著に向上できることを見出した。
すなわち、本発明は、Ti:2〜20mass%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、フェライトと平均粒径0.1μm以上のFeとTiを含む金属間化合物を面積率で5〜80%含む金属組織を有する高強度薄鋼板である。
本発明の上記薄鋼板は、歪速度10−3/secでの静的引張強さと歪速度10/secでの動的引張強さの差が180MPa以上であることを特徴とする。
また、本発明の上記薄鋼板は、静的引張強さが440MPa以上であることを特徴とする。
また、本発明の上記薄鋼板は、Ti:2〜20mass%、C:0.1mass%以下、Si:3.0mass%以下、Mn:5.0mass%以下、P:0.04mass%以下、S:0.01mass%以下、Al:5.0mass%以下、N:0.01mass%以下含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする。
また、本発明は、上記成分組成を有する熱延鋼板または冷延鋼板を、600℃以上で1sec以上の焼鈍を施すことを特徴とする高強度薄鋼板の製造方法を提案する。
本発明によれば、静的引張強さが440MPa以上の高強度を有し、かつ、静的引張強さと動的引張強さの差が180MPa以上の高強度鋼板を提供することができる。したがって、本発明の高強度薄鋼板は、高強度であると共に耐衝撃特性にも優れるので、自動車車体の軽量化、安全性の向上に大きく寄与することができる。
本発明の高強度薄鋼板の成分組成を上記範囲に限定する理由について説明する。
Ti:2〜20mass%
Tiは、本発明においては、Fe−Ti系金属間化合物(FeTi)を生成させるために添加する必須の元素である。Tiの添加量が2mass%未満では、面積率にして5%以上のFe−Ti系金属間化合物が得られない。一方、20mass%を超えると、金属間化合物の量が多くなり過ぎて、所定の耐衝撃特性が得られなくなる。よって、Tiの添加量は、2〜20mass%の範囲とする。なお、添加量が8mass%を超えると、鋳造時もしくは熱間圧延時に割れが発生し、鋼板の製造が困難となることがある。したがって、Tiは、好ましくは3〜8mass%の範囲である。なお、FeTi金属間化合物中には、FeとTi以外の元素(C,Si,Mn,Nb,B,Al等)が20mass%以下混入していてもよい。
本発明の薄鋼板の成分組成は、FeおよびTiからなり、残部成分は不可避的不純物として位置付けられるものであるが、以下に示す成分については、下記の範囲で含有してもよい。
C:0.1mass%以下
Cは、Tiと炭化物であるTiCを形成して、フェライト中に分散し、成形性を低下させるとともに、Fe−Ti系金属間化合物を生成する有効Tiを減少させる元素である。特に、0.1mass%を超えると、TiCの析出が多くなり、成形性の低下が大きくなる。よって、本発明においては、Cは0.1mass%以下とするのが好ましい。より好ましくは0.005mass%以下である。
Si:3.0mass%以下
Siは、添加量が3.0mass%を超えると、熱間圧延や冷間圧延することが困難となる。よって、Siを添加する場合は、3.0mass%以下とするのが好ましい。なお、Siは、脱酸剤として添加される元素であるとともに、フェライトを強化する元素でもある。上記効果を発現するには、0.01mass%以上の添加が好ましい。
Mn:5.0mass%以下
Mnは、5.0mass%を超えると、熱間圧延や冷間圧延することが困難となる。よって、Mnを添加する場合は、5.0mass%以下とするのが好ましい。また、Mnは、固溶強化により鋼を高強度する元素であり、この効果を発現するには、0.01mass%以上の添加が好ましい。
P:0.04mass%以下
Pは、TiとTi−P系析出物を形成し、成形性を低下させるとともに、Fe−Ti系金属間化合物を生成する有効Tiを減少させる元素である。特に、0.04mass%を超えると、Ti−P系析出物が多くなり、成形性の低下が大きくなる。よって、Pは0.04mass%以下とするのが好ましい。より好ましくは0.02mass%以下である。
S:0.01mass%以下
Sは、TiとTi−S系析出物を形成し、成形性を低下させるとともに、Fe−Ti系金属間化合物を生成する有効Tiを減少させる元素である。特に、0.01mass%を超えると、Ti−S系析出物が多くなり、成形性の低下が大きくなる。よって、Sは0.01mass%以下とするのが好ましい。より好ましくは0.005mass%以下である。
Al:5.0mass%以下
Alは、脱酸剤として添加される元素であるとともに、フェライトを強化する元素であるので、5.0mass%を上限として添加することができる。上記効果は0.01mass%以上の添加で発現するが、5.0mass%を超えると、原料コストが上昇するので好ましくない。よって、Alを添加する場合は、5.0mass%以下とするのが好ましい。
N:0.01mass%以下
Nは、TiとTi−N系析出物を形成し、成形性を低下させるとともに、Fe−Ti系金属間化合物を生成する有効Tiを減少させる元素である。特に、0.01mass%を超えると、Ti−N系析出物が多くなり、成形性の低下が大きくなる。よって、Nは0.01mass%以下とするのが好ましい。より好ましくは0.005mass%以下である。
本発明の薄鋼板において、上記成分以外の残部は、Feおよび不可避的不純物であるが、本発明の効果を害さない範囲であれば、その他の成分の含有を拒むものではなく、必要に応じて添加することができ、例えば、Cu:3.0mass%以下、Ni:3.0mass%以下、Cr:3.0mass%以下、Nb:3.0mass%以下、V:3.0mass%以下、B:0.01mass%以下であれば許容することができる。
次に、本発明の薄鋼板が有する金属組織について説明する。
本発明の薄鋼板は、主としてフェライトと、平均粒径0.1μm以上のFeとTiを含む金属間化合物を面積率にして5〜80%含む金属組織を有することが必要である。上記FeとTiを含む金属間化合物の平均粒径が0.1μm未満もしくは面積率が5%未満では、引張強さの静動差の顕著な向上、具体的には、180MPa以上を達成できないからである。
一方、金属間化合物の面積率が80%を超えると、静動差が180MPa未満となる。また、金属間化合物の面積率が50%を超えると、成形性の劣化が懸念されるため、上限は50%とするのが好ましい。また、金属間化合物の平均粒径が10μmを超えると、加工性が低下するようになるため、10μm以下とするのが好ましい。より好ましくは3μm以下である。
なお、フェライトおよび金属間化合物以外は、マルテンサイト、ベイナイト、残留オーステナイト、セメンタイト、パーライト等、通常、鉄鋼材料で存在する組織が混在していてもよいが、それらは合計の面積率は10%以下であるのが好ましい。より好ましくは5%以下である。
なお、上記金属間化合物は、EDXや抽出燃焼分析法を用いて分析することができる。また、金属間化合物の面積率は、SEM写真の画像を二値化する等して画像処理することにより測定することができる。
次に、本発明の薄鋼板の機械的特性について説明する。
本発明の薄鋼板は、低速で引張試験を行ったときの静的引張強さが440MPa以上である高強度薄鋼板であることが好ましい。ここで、上記静的引張強さとは、10−3/secの歪速度でJIS Z2241に準拠して引張試験を行ったときの引張強さをいう。さらに、本発明の高強度薄鋼板は、歪速度10/secで引張試験を行ったときの動的引張強さと、上記静的引張強さの差(静動差)が180MPa以上であるのが好ましい。引張強さの静動差を180MPa以上とすることにより、耐衝撃特性に優れた薄鋼板が得られるからである。なお、本発明に薄鋼板の静的引張強さの上限は特に限定しない。また、静動差の上限についても上限は規定しない。
次いで、本発明の薄鋼板の製造方法について説明する。
本発明の薄鋼板の製造方法は、上記成分組成を満たした鋼素材を用いること以外は、通常の方法を用いることができる。すなわち、上記に説明した成分組成に調製した鋼を、連続鋳造法または造塊−分塊圧延法で鋼素材(スラブ)とし、このスラブを冷却後、再加熱したのち、あるいは冷却することなくそのまま熱間圧延して熱延鋼板とし、酸洗し、焼鈍を行って熱延焼鈍板(製品)とするか、あるいは、酸洗後、冷間圧延し、焼鈍を行って冷延板焼鈍板(製品)とするのが好ましい。なお、上記熱延焼鈍板(製品)あるいは冷延板焼鈍板(製品)は、その後、必要に応じて、スキンパス圧延を施してもよく、また、電気めっきや溶融めっき、合金化めっき等の表面処理を施してもよい。また、上記熱間圧延については、組織を均一化する観点から、仕上圧延終了温度を850℃以上とするのが好ましい。上記のように、本発明の薄鋼板は、熱延鋼板および冷延鋼板のいずれでもよい。
ただし、上記熱延鋼板および冷延鋼板の焼鈍は、金属間化合物の分散を図る観点から、600℃以上の温度で行なう必要がある。600℃未満では、金属間化合物が生成しないためである。一方、上限は特に規定しないが、製造性および製造コストの観点からは、900℃以下とするのが好ましい。また、上記温度に保持する時間は、1sec以上とする。1sec未満では、金属間化合物が生成しないからである。好ましくは、700〜900℃で、10〜600secの範囲である。
なお、焼鈍後の平均冷却速度は、1℃/sec以上であることが好ましい。1℃/sec未満では、冷却に長時間を要するため、生産性が低下するからである。
表1に示す成分組成の鋼を真空溶解炉で溶製し、鋳造して得た鋼塊を、仕上圧延温度を900℃とする熱間圧延により板厚3.6mmの熱延鋼板とし、冷間圧延して板厚が1.2mmの冷延板とした。その後、表2に示した条件で焼鈍を行い、冷延焼鈍板とした。
このようにして得た冷延焼鈍板について、静的引張特性と動的引張特性を測定した。ここで、静的引張特性は、引張方向を圧延平行とするJIS5号試験片を用いて、ひずみ速度10−3/secでJIS Z2241に準拠した方法で引張試験を行い、引張強さTSを測定した。一方、動的引張特性は、試験片の平行部長さ8mmの試験片を、非共軸型ホプキンソンプレッシャーバー試験機を用いてひずみ速度10/secでの引張試験を行い、引張強さTSを測定し、静的引張強さとの差(静動差)を求めた。
また、上記各種冷延焼鈍板について、圧延方向に平行な断面の金属組織を、SEMを用いて1500倍で観察し、金属組織の構成、フェライト相の面積分率および金属間化合物の平均粒径と面積分率を測定した。なお、上記金属間化合物は、EDXを用いて分析した結果、すべてFeTi金属間化合物であることを確認した。
Figure 0005375241
Figure 0005375241
上記測定の結果を、表2に併記して示した。表2の結果から、本発明で規定する要件を満たすことにより、静的引張強さTSが440MPa以上で、静動差が180MPa以上の耐衝撃特性に優れる高強度薄鋼板が得られることがわかる。
本発明の高強度鋼板は、自動車用以外にも、耐震部材等、高歪速度変形時のエネルギー吸収が必要な部材にも好適に用いることができる。

Claims (5)

  1. Ti:2〜20mass%を含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなり、フェライトと平均粒径0.1μm以上のFeとTiを含む金属間化合物を面積率で5〜80%含む金属組織を有する高強度薄鋼板。
  2. 歪速度10−3/secでの静的引張強さと歪速度10/secでの動的引張強さの差が180MPa以上であることを特徴とする請求項1に記載の高強度薄鋼板。
  3. 静的引張強さが440MPa以上であることを特徴とする請求項1または2に記載の高強度薄鋼板。
  4. Ti:2〜20mass%、C:0.1mass%以下、Si:3.0mass%以下、Mn:5.0mass%以下、P:0.04mass%以下、S:0.01mass%以下、Al:5.0mass%以下、N:0.01mass%以下含有し、残部がFeおよび不可避不純物からなる成分組成を有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の高強度薄鋼板。
  5. 請求項1または4に記載の成分組成を有する熱延鋼板または冷延鋼板を、600℃以上で1sec以上の焼鈍を施すことを特徴とする高強度薄鋼板の製造方法。
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